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rail-to-rail OP-amp 란? OP-amp 데이터시트 [ua741]

일반적인 OPAMP의 경우 최대출력전압은 공급전압보다 약 2~3V 적게 나옵니다.
이것은 출력회로방식이 대부분 PUSH-PULL 방식을 사용하기 때문이죠.
즉 공급전압이 ±15V 인경우 출력전압은 약 ±13V 정도 됩니다.

일반적인 사용법에서는 이러한 2~3V VOLTAGE LOSS는 별 문제가 없지만 건전지를 이용한 저전압구동회로등에서는 문제가 발생합니다. 예를 들어 5V 단전원을 사용하는 회로에서 ±2V 를 깍아 버리면 1V밖에 스윙할수 없게 되죠. 이런 용도로 개발된것이 rail to rail OPAMP입니다. RAIL이 철길이죠. 이철길이 공급전압LEVEL이라 생각하면 됩니다. 즉 출력전압이 철길양쪽만큼 스윙한다는 의미죠.

내부구조는 주로 MOS FET로 구성되어 있습니다.
보통 말하는 rail-to-rail이라는 단어는 입력이 "1"이면 출력이"1"이 나오는 선형성을 가진다는 뜻입니다.

일반적으로 LM 324 OP-AMP가 RAIL-TO-RAIL이 되면 LMV 324가 되는 겁니다.

출처 : 네이버
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일반적인 OPAMP의 경우 최대출력전압은 공급전압보다 약 2~3V 적게 나옵니다.

이것은 출력회로방식이 대부분 PUSH-PULL 방식을 사용하기 때문이죠.

즉 공급전압이 ±15V 인경우 출력전압은 약 ±13V 정도 됩니다.

일반적인 사용법에서는 이러한 2~3V VOLTAGE LOSS는 별 문제가 없지만 건전지를 이용한 저전압구동회로등에서는 문제가 발생합니다. 예를 들어 5V 단전원을 사용하는 회로에서 ±2V 를 깍아 버리면 1V밖에 스윙할수 없게 되죠. 이런 용도로 개발된것이 rail to rail OPAMP입니다. RAIL이 철길이죠. 이철길이 공급전압LEVEL이라 생각하면 됩니다. 즉 출력전압이 철길양쪽만큼 스윙한다는 의미죠.

내부구조는 주로 MOS FET로 구성되어 있습니다.

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tr 증폭기와 Op-Amp 증폭기 차이

차이점......
차동증폭기? 2개의 입력 신호를 가질 수 있다? 무엇이? op-amp
양전원을 사용한다

rail to rail input : means that the circuit input require variation from the most +ve supply to the most -ve supply to function properly

actually this is not easy because it will cause the input transistor to pass through many regions of operations and in this cases we can't assume small signal analysis

rail to rail output : means the the output of a certain circuit is varying from the most +ve supply to the most -ve supply.

actually : If you aim to design a circuit with input or output or both varying rail to rail, it will require deep understanding for many parameters of the design you have

thanks

Rail-to-Rail means (as the others mention) from the max available voltage to the min voltage. I post a reply to another topic "rail to rail opamp". there I suggest a paper by Ron Hogervorst about circuit techniques for rail-to-rail input and output techniques. here it is :

"A Compact Power-Efficient 3 V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries" , Ron Hogervorst et al , IEEE JSSC 1994

op-amp	transistor
차동증폭기	2개의 입력 신호 가질 수 있다.
일반적으로 양전원을 사용	통상적으로 단전원을 사용
입력 임피던스가 높음	상대적으로 낮음
상대적으로 온도 특성 좋음	-
-	가격적으로 저렴함

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현대 하드웨어의 대부분은 마이크로컴퓨터나 CPLD,

FPGA 등 고기능으로 프로그래머블한 IC와 단기능 디지털

IC의 조합으로 되어 있다.

사용 간편성을 더 높이기 위해 버퍼, 보호회로를 내장한

마이크로컴퓨터나 PLD도 많이 탄생하였으며 속도 등이 요

구되지 않는다면 IC의 단순 조합작업으로 간단하게 시스템

을 만들 수 있는 시대가 됐다.

옛날에는 납땜 인두를 잡고 눈앞에서 실제 동작하고 있

는 회로와 접하며 물품을 제작했지만 오늘날에는 소프트웨

어 개발이나 HDL 프로그래밍 등 PC의 키보드만 두드리

는 작업이 대부분이다. IC 속에서 어떠한 소자가 어떻게 동

작하고 있는가 등을 생각해보지 않은 사람도 많을 것이다.

어셈블러를 알고 있는 사람이 기술한 C＋＋ 프로그램과

알지 못하는 사림이 기술한 C＋＋ 프로그램에서는 완성된

프로그램의 크기나 스피드가 다르다. 하드웨어를 설계할

때에도 디지털 IC의 내부 동작을 이해하고 있는가의 여부

에 따라 완성된 시스템의 성능이나 신뢰성이 크게 변한다.

그래서 새삼스럽지만, 순정 제품의 아날로그 회로 시뮬

레이터 PSpice(평가판)를 사용하여 단기능 디지털 IC의

내부동작을 시뮬레이션하고 그 아날로그 동작을 이해하고

자 한다.

디지털 IC는 1과 0의 세계에서 동작하고 있는

것이 아니다

그림 1은 AND 회로와 입력, 출력의 관계이다. 진리값

표와 같이 입력 A와 B가 모두“H”일 때에만 출력 Y가“H”

로 된다. 입력이 그 이외일 때에는“L”이 출력된다. 이

AND 회로의 2가지 입력 A와 B에 그림 1(c)와 같은 신호

를 입력했을 경우를 상정해본다. 입력신호는, 시각 0~tA인

동안은 A＝“H”, B＝“L”, 시각 tA에서 동시에 반전한다.

교과서대로 AND 회로가 동작하면 출력 Y는 변동되는

일 없이“L”상태로 된다. 그러나 실제로 만들어 실험해보
..
..
..

51.pdf

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출처 : http://cafe.naver.com/mpucafe/2318

무접점 릴레이(SSR) 만들기

SSR을 함 만들어 봤습니다. 아직 검정되지 않아서 위험 할수 있습니다.

참고만 하세요. 제작으로 인한 사고 및 재산상 피해는 책임 지지 않습니다. ^^

네이버카페 당근이의AVR-블랙홀(sangjoo73) 감사합니다.
▽▼▽▼▽▼▽▼▽▼▽▼

[출처] 무접점 릴레이(SSR) 만들기 (당근이의 AVR 갖구 놀기) |작성자 블랙홀

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Photo Interrupter

포토인터럽터는 비접촉으로 물체의 유무 및 위치를 감지할 수 있는 소자로 주로 회전체의 회전검출, 물체의 위치검출에 사용되고 있습니다.

포토 인터럽터의 종류

포토인터럽터는 크게 2종류로 구분할 수 있습니다.

투과형 인터럽터는 발광소자와 수광소자를 일정한 간격을 두고 마주보게 놓아 그 사이의 물체의 유무와 위치를 감지하는 방식입니다. 다른하나는 반사형 포토 인터럽터라고 불리는 것으로 발광소자와 수광소자를 평면상 혹은 각도를 두고 발광소자로부터 나온 광을 물체에 반사시켜 그 반사광을 수광소자에서 검출하는 방식입니다.

Photo coupler

발광 다이오드와 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터를 마주보게 배치하여 소자화 한 것을 포토 커플러라고 합니다. 컴퓨터와 외부 기기의 접속 등 전기적으로 절연할 필요가 있는 곳에 사용됩니다. 실물은 아래와 같으며 일반적인 DIP형 IC와 동일한 형상을 하고 있고 내부에 여러개를 함께 실장 하여 16 핀 패키지로 되는 경우도 있습니다

회로 기호는 일반적으로 아래 그림과 같습니다．

광도전셀(Photoconductive cell)

광전 변환 소자의 대표적인 것 중에 하나이며, 황화 카드뮴(CdS)셀은 조사된 빛의 강약에 따라 그 양끝의 저항값이 변화하며, 빛이 강할 때는 저항값이 작고 빛이 약할 때는 저항값이 큰 성질이 있습니다.

또한 암흑 상태에서는 거의 절연 상태에 가까운 상태가 됩니다.
사용 방법은 전극간에 전압을 인가하여 빛에 의한 저항 변화를 전류 변화로 바꾸어 외부 회로로 끌어내는 형식으로 되어 있습니다. CdS셀의 구조는 아래의 그림과 같습니다.

CdS셀의 특성은 아래의 그림과 같습니다.

참고로 빛의 단위는 럭스(Lx)이고, 100Lx는 60W의 전등이 약 1m 떨어진 곳의 밝기입니다.
CdS셀은 카메라의 노출계, 가로등의 자동 점멸, 연기의 검지, 광전스위치 등에 응용되고 있습니다.

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포토다이오드는 광에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서의 일종이며 그 구성은 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로 다음과 같은 특징이 있습니다.


1.	플래너 구조이기때문에 diode특성이 좋고 부하를 걸었을때의 동작특성 이 우수하다
2.	저조도에서 고조도까지 광전류의 직선성이 양호하다
3.	소자간의 광출력의 편차가 동일조립상태에서 적다
4.	응답속도가 빠르다
5.	감도 파장이 넓다

Photo diode의 구조

Photo diode의 동작원리

PN접합에서 P층과 N층의 접합부에는 전위장벽이 생깁니다.
여기에 Eg보다 더 큰 에너지를 갖는 빛(E=hv)이 조사되면 전자는 전도대에 끌어올려지고 전자와 후에 남는 정공이 쌍이되어 형성됩니다.

이렇게 형성된 전자와 정공쌍이 공핍층에서 형성 되었을 경우는 바로 전계에의해 가속되고 전자는 N층으로 정공은 P층으로 이동하게 됩니다.
또 전자와 정공쌍이 P층과 N층에서 발생한 경우에는 P층의 전자와 N층의 정공은 확산하게 되는데, 공핍층에 이르게 되면 전계에 의해 더욱 가속되고 각각 P층, N층에 들어와 전하가 축적되게 됩니다.
이 때 외부의 부하를 단자에 접속하면 빛에너지를 전기 에너지의 형태로 얻을 수 있습니다.

Photo diode의 특성

V - I 특성

Photo Diode의 V - I 특성은 암(Dark)상태에서는 통상의 정류 Diode와 같습니다.

그러나 Photo Diode에 빛이 조사되면 빛의 세기에 따라 V - I 특성이 -쪽으로 이동하게 됩니다. 이때 단자간을 개방해두면 Voc의 전압이 생기고 단락하면 역방향으로 Isc의 전류가 입사광량에 비례해서 흐르게 됩니다.
Isc는 1/1000 Lux ~1/10000 Lux의 범위에서 상당히 좋은직선성을 가지고 있습니다.

분광감도

광원( 태양광 , 형광등 , 텅스텐 전구 , LED , Laser광 등)은 각각 독자의 발광파장을 가지고 있습니다. 그러나 광전자 수광소자는 실리콘 기판으로 소자(CHIP)자체 로써는 가시광 영역부터 근적외선에 이르는 넓은 분광감도를 가지고 있기 때문에 대부분의 광원과의 조합이 가능합니다 .
또한 사용목적에 따라 광학 필터를 붙인 Device도 있으며 가시광 영역만의 감도를 갖는 수광소자와 적외광만의 감도를 갖는 수광소자도 있습니다.

포토 다이오드의 종류

포토 다이오드는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 수광소자의 일종이고, 주로 PIN-PD(PIN-Photodiode)와 APD (Avalanche Photodiode) 가 사용되고 있습니다.

PIN Photo diode

PIN Photo diode는 PN접합의 중간에 캐리어가 적어 저항이 큰 진성반도체의 층(1층)이 설치된 구조입니다. 사용시는 역 바이어스 전압을 걸어 i층은 캐리어의 공핍층으로 하고, 내부에 전기장을 만들어 두어야 합니다.

P층쪽에는 창문이 설치되어 있고, 입사한 빛은 P층을 통과하여 1층으로 들어가고, 그 에너지를 흡수 하여 전기장에 따라 정공과 전자가 생깁니다. 이들 케리어는 전기장에 따라 음극과 양극을 향하여 이동하고 외부에 전류가 되어 방출됩니다. PIN구조는 단순한 PN접합보다 i층내의 높은 전기장에서 고속성이 얻어지는 특성을 가지고 있습니다.

APD

APD는 PN접합 중간에 사태(avalanche)층이 있고, 입사한 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 사태층내에서 원자에 충돌하여 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만들고, 그들이 또 새롭게 충돌을 일으키는 과정에서 avalanche(사태)효과를 일으켜 광전류가 증대되는 원리로 작동됩니다.

증대율은 바이어스 전압이 큰 만큼 커지므로, PIN 포토 다이오드보다 높은 바이어스 전압(수십에서 200볼트정도)에서 사용되고 있습니다. APD는 증배에 수반하여 잡음도 많고, PIN 포토 다이오드보다 S/N비가 작지만 출력 전류가 크기 때문에 다음 단의 증폭기가 포함되면 S/N비는 개선 될 수 있습니다.
따라서 고감도 수광을 목적으로 하는 장거리 통신의 경우는 통상 APD가 사용되지만, 광가 입자계, LAN 등의 중,단거리 통신에서는 특별한 전원을 필요로 하지않는 PIN-PD가 많이 사용되고 있습니다.

Photo transistor

Photo transistor는 포토다이오드의 PN접합을 베이스-이미터 접합에 이용한 트랜지스터입니다.

PN접합 부분에 빛을 비추면 빛 에너지에 의해 생긴 정공과 전자가 외부 회로로 나가게 되는데, 입사광에 의해 전자와 정공이 생기면 역전류가 증가하여 입사광에 대응하는 출력전류를 얻을 수 있습니다. 포토 트랜지스터의 경우는 베이스 전극을 빛이 베이스 전류의 대용이기 때문에 전극을 끌어내지 않는 경우가 많습니다.

Photo Transistor의 일반구조는 NPN(또는 PNP)Transistor와 유사한 구조를 가지고 있지만 광전류를 크게 취하기 위하여 수광부인 Base Area를 크게 가지고 있습니다.

Photo Transistor의 동작 원리

Photo Transistor의 Base와 Collector는 Photo Diode와 같은 원리로 동작하며 입사된 광에 의하여 Base 단자를 (+) Bias됨으로써 트랜지스터의 기능을 수행합니다. (I_c=IL x h_FE)

Base단자를 갖는 Photo Transistor의 동작특성

Photo Transistor중 Base 단자를 갖는 소자의 경우 온도에 의한 생성캐리어(컬렉터 입력전류)를 바이패스 시킴으로서 안정된 특성을 얻을 수 있으며 잉여 캐리어를 RB를 통해 방전시킴으로써 응답속도가 향상되는 특성을 가지고 있습니다.

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LED(발광 다이오드)는 전류를 직접 빛으로 변경하여 발광하는 반도체 소자입니다. LED의 특징은 부드러운 적색, 녹색과 황생 등의 단색광을 내는 것이며 반도체로 만들어진 것으로 수명이 반영구적입니다.

전기를 빛으로 변경하는 것에는 여러 가지가 있으나, 일반적인 전구도 이에 해당합니다. 전구에 전류를 흐르게 하면 빛이 나고, 이 때에 전류는 전구의 필라멘트를 가열하는 역할을 합니다. 이와 같이 전구는 전기 에너지를 일단 열로 변경한 뒤 빛 에너지로 변경합니다.

LED는 전구와는 달리 전기 에너지를 반도체 안에서 바로 빛으로 변환 할 수가 있습니다. 이러한 이유로 가열하는 과정이 없기 때문에 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다.

LED의 구조는 일반적인 다이오드와 유사한 PN반도체를 접합한 구조로 되어 있습니다. 이 PN접합에서의 발광이 반도체 안을 통과하여 외부로 나오면 그 빛을 볼 수 있게 됩니다.

LED의 발광 원리

발광 원리를 알기 위해서는 PN접합부에서 무엇이 발생하는 지 점검할 필요가 있습니다. 먼저 반도체에 P형과 N형의 구별이 있는 것은 반도체 안에서 전기를 운반할 수 있는 캐리어의 종류가 다르기 때문입니다. P형 반도체에는 +의 전하를 갖는 정공이, N형 반도체에는 -의 전하를 갖는 전자가 캐리어의 대부분을 차지하고 있습니다.

이 정공과 전자는 서로 반대의 전하를 갖고 있기 때문에 접근하면 흡인력이 작용합니다. 그리고 흡인된 정공과 전자가 충돌하면 에너지를 방출하여 동시에 소멸됩니다. 이 에너지가 바로 빛이 됩니다.

반도체는 주입하는 불순물의 원소에 따라 P형이나 N형이 됩니다. 하나의 반도체 안에 P형과 N형을 만들면, 접합되는 순간 정공과 전자가 충돌합니다. 그러나 그것은 최초에만 하게 되고 상호 소멸된 이후에는 즉시 에너지의 벽이 생겨 그 이상의 소멸을 방지하게 됩니다. 이와 같이 PN접합에서는 정공과 전자는 서로 격리되어 있습니다.

이러한 반도체에 순방향 전압을 가하게 되면 이 전압에 따라 장벽이 약하게 되어 P형에서 N형으로 정공이 흐르게 되고 반대로 N형에서 P형으로 전자가 이동하게 됩니다. 서로의 영역으로 주입된 정공과 전자는 그 즉시 충돌하여 빛 에너지가 되어 소멸합니다.

전하가 이동하면 전류가 되므로 이 ? PN접합을 통하여 반도체 내부에 전류가 흐르게 됩니다.

PN접합에 순방향 전류를 흐르게 하면, 전자와 정공의 발광에 동반되는 소멸이 생기지만 P형 안에서는 정공이, N형 안에서는 전자가 각각 소멸된 양만큼 만들어집니다. 따라서 LED의 발광은 반 영구적입니다. 전자와 정공이 충돌할 때의 에너지를 빛으로 낼 수 있는 것은 특별한 에너지 구조를 갖는 반도체만 가능합니다. 이것은 재료의 종류에 의해 결정되고, 주로 갈륨(Ga)의 화합물에 한정됩니다.

일반적인 다이오드의 재료인 실리콘은 이와 같은 에너지의 구조가 아니기 때문에 전자와 전하의 충돌은 열 에너지가 되게 됩니다.

LED의 종류

일반 LED

색상의 종류는 적색，녹색，황색이 주류이며 최근에는 청색 발광 다이오드가 개발되어 빛의 ３ 원색이 가능해저서 풀 컬러의 화상 표시가 가능해졌습니다.

크기 및 색상에따른 여러 가지 종류가 있으며 회로 기호는 다음과 같습니다.

적외선 LED

발광 다이오드의 일종으로 특별하게 적외선 파장의 빛을 발생하도록 만든 발광 다이오드입니다．최근 텔레비전등의 리모콘에서 신호 송신용으로 많이 이용되고 있으며 다양한 크기와 형태가 있습니다

7-세그먼트 LED

숫자를 표시하기 위해 발광 다이오드 소자를 여러개 실장 한 것으로７개의 소자로 숫자를 표시할 수 있게 되어있기 때문에 ７세그먼트 표시기라고도 불리고 있습니다．실제의 표시기는 사진과 같은 예가 있고 크기와 색상에 따라 여러 가지가 있습니다. 실제의 세그먼트에는 소수점이 추가되어８ 세그먼트로 되어 있으며 문자 표시를위한 표시기도 판매되고 있습니다.

LED의 주요 특성

Power Dissipation (PD)

LED가 소비할 수 있는 최대전력으로 계산방법은 다음과 같습니다.
PD = Forward Current(IF) * Forward Voltage(VF)

Continuous Forward Current (IF)

LED에 인가할 수 있는 최대 전류를 나타냅니다.

Peak Forward Current (IFP)

Pulse Mode로 LED를 점등시 LED에 인가할 수 있는 최대 전류로 Pulse의 폭과 Duty비에 따라 다릅니다.

Operating Temperature (Topr)

LED를 정상적으로 동작시킬 수 있는 주위온도 범위입니다.

Storage Temperature (Tstg)

LED를 특성의 변화없이 보관가능한 저장온도 범위입니다.

피크발광파장(Peak Wavelength(λP)):

최대 강도로 발광되는 파장을 나타냅니다.
반도체결정의 재료, PN접합을 형성하는불순물의 종류,농도,구조등에 의해 결정됩니다.

스펙트럼 반치폭(Spectrum Half Bandwidth)

최대 발광강도의 1/2의 강도를 가진 두파장 사이의 간격을 말하며, 반치폭이 작을수록 사람의 색감각과의 차이가 적습니다. 사람의 눈은 555nm의 빛에 대한 감도가 아주좋고. 그보다 장파나, 단파로 될수록 감도는 떨어집니다.

Radiation Angle or Half Angle

방사각 0도에서의 광도가 1/2이 되는 좌우 방사각을 말하며 LED의 패키지나 Lens형상에 따라 변화합니다.

Luminous Intensity Iv[mcd]

LED를 정해진 방향으로 방사되는 빛의 단위 면적당 광속을 말합니다.
칸델라[cd], 루멘/스테라디안[lm/Sr] 단위를 사용하며 1 cd은 통상 촛불1개의 밝기를 말합니다.

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전력용 반도체 중의 하나인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 주로 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용되고 있습니다.
1970년대에 전력용 MOS FET가 개발된 이후 전력용 스위치는 중전압 이하, 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOS FET가, 중~고압에서 대량의 전류도통이 요구되는 범위에서는 바이폴러 트랜지스터나 SCR, GTO등이 사용되어 왔습니다.

1980년대 초에 개발된 IGBT는 출력 특성면에서는 바이폴러 트랜지스터 이상의 전류 능력을 지니고 있고, 입력 특성면에서는 MOS FET와 같이 게이트 구동 특성을 가지고 있습니다.
따라서 IGBT는 MOS FET와 바이폴러 트랜지스터의 대체 소자로서 뿐만 아니라 새로운 분야도 점차 사용이 확대되고 있습니다.

IGBT의 특징

MOS는 고내압화 하면 온(On) 저항이 급속히 커지는 문제가 있어서 200V 정도가 실용의 한계로 보고 있는 반면 IGBT는 MOS에 비해 온 저항이 낮지만 MOS와 동등의 전압제어 특성을 지니고 있으며 또한 스위칭 특성에서는 MOS보다는 늦지만 바이폴러 트랜지스터나 GTO보다 빠른 이점으로 중소용량의 인버터를 중심으로 산업용에서부터 일반 가정용에까지 폭 넓게 사용될 수 있습니다.

IGBT의 적용분야


IGBT의 기본적인 특성은 적용 시스템의 전압에 따른 소자 내압(Breakdown voltage)를 기본으로 하여

1)	도통 상태의 소자 전압 강하(On-state voltage drop)인 V_CE(sat)에 의해 결정되는 정특성
2)	IGBT의 On/Off 스위칭 속도에 의해 결정되는 동특성
3)	단락회로 견고성

등으로 나뉘어 질 수 있습니다. 이들 관계는 상호 Trade-off관계를 가지고 있습니다. 즉, 일반적으로 낮은 V_CE(sat)를 갖는 IGBT는 스위칭 오프 손실이 크고, 높은 V_CE(sat)의 IGBT는 스위치 오프 손실이 작은 관계를 가지고 있습니다. 따라서 IGBT는 적용 시스템의 동작 주파수에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 400V급 IGBT의 경우 디지털카메라의 스트로브에 적용되는 대전류, 저속의 트랜치 IGBT와 자동차 엔진 점화장치에 사용되는 점화 IGBT등이 있습니다. 600V급의 경우, 110V 전원을 사용하는 산업용 및 일반용 모터 구동용 인버터, 공진 인버터, UPS, SMPS등에 적용되는 단락 회로 정격 IGBT 및 고속 스위칭 IGBT등이 있습니다. 1200V급 IGBT의 경우 220V 3상 전원을 사용하는 용도에 주로 사용되는데, 산업용 모터 구동 인버터에는 모듈 형의 IGBT, 공진 인버터에는 단품 패키지 형태의 IGBT가 주로 사용됩니다. 이 외에도 전동차 구동용, FA, 직류 송전 등에 2500 ~ 6000V급의 IGBT가 적용되고 있습니다.

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순방향 브레이크오버 전압 (V_B)

SCR이 순방향 차단영역에서 순방향 전도영역으로 들어가기 위한 전압을 순방향 브레이크오버 전압이라 합니다. 위의 그림에 나타난 바와 같이 게이트 전류 I_G가 증가하면 순방향 브레이크오버 전압은 감소합니다. 게이트 전류 I_G = 0일때 순방향 브레이크오버 전압이 최대가 됩니다.

유지전류

SCR이 순방향 전도영역에서 동작하기 위한 최소의 애노드 전류를 유지전류라고 합니다.

순방향과 역방향 블로킹 영역

순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 순방향 블로킹영역이라 하고, 역방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 역방향 블로킹 영역이라고 합니다.

게이트 트리거 전류 (I_G)

SCR을 순방향 블로킹영역에서 순방향 전도영역으로 전환하는데 필요한 게이트 전류를 트리거 전류라고 합니다.

순방향 전도영역

순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 온 상태인 영역을 순방향 전도영역이라고 합니다.

역방향 항복전압

SCR이 애벌런치 영역으로 들어가서 급격히 도통되기 시작하는 애노드와 캐소드 양단의 역방향 전압을 역방향 항복전압이라고 합니다

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SCR은 위의 그림과 같이 2개의 트랜지스터로 구성된 등가회로로 생각할 수 있습니다. 윗쪽 트랜지스터는 PNP트랜지스터의 역할을 하고 아랫쪽의 트랜지스터는 NPN트랜지스터의 역할을 합니다. 단, 두개의 트랜지스터가 맞붙는 중간층은 서로 공유됩니다.

1) SCR의 턴 온(Turn-on)과정

(1)	아래의 그림과 같이 게이트가 접지되면 Q1은 개방상태에 있게 됩니다. 이때 I_B2는 너무 작아서 Q2를 턴 온 상태로 만들지 못합니다. 그러므로 모두가 개방상태에 있게 되고 SCR은 하나의 개방회로가 됩니다.

(2)	이 때 아래의 그림과 같이 게이트에 충분히 큰 벌스 전압 V_G를 인가하면 Q1이 온 상태가 되고 Q2의 베이스 전류의 증가는 I_B2를 더욱 증가되게 합니다. 결과적으로 A-K간 저항은 대단히 작아져서 아래의 그림과 같이 SCR은 하나의 단락회로가 되게 됩니다. 일반적은 SCR은 0.1us ~ 1us의 턴 온 시간을 갖습니다.

(3)	위와 같은 게이트에 의한 트리거 뿐만 아니라 온도를 현저하게 증가시키거나 Breakover 전압 이상으로 전압을 증가시킴으로 SCR을 온 상태로 만들수도 있습니다.
(4)	일단 SCR이 온 상태가 되면 아래의 그림과 같이 게이트 신호를 제거하여도 오프 상태로 변화되지는 않습니다. 단지 위에서 소개한 GTO형의 SCR만이 게이트에 음의 펄스를 인가하여 오프상태로 만들 수 있습니다.

2) SCR의 턴 오프(Turn-off)방법

SCR을 오프 상태로 만들기 위한 방법은 양극전류 차단법과 강제전환법이 있습니다. 양극 전류 차단법은 아래의 그림(a)와 같이 직렬 스위치를 개방시키는 방법과 (b)의 그림과 같이 병렬 스위치를 단락시키는 방법이 있으며 두가지 모두 애노드 전류가 0이 되어 SCR이 오프상태로 됩니다.

강제전환법은 강제로 SCR내의 순방향 전류의 반대방향으로 전류가 흐르도록 하는 방법입니다. 가장 기본적인 회로는 아래의 그림과 같습니다.

위의 그림의 (a)에서와 같이 스위치가 개방되어 있으면 SCR은 도통상태에 있게 됩니다. 이 때 (b)와 같이 스위치를 닫아 순방향 전류와 반대방향으로 전류가 흐르게 되면 SCR은 오프 상태로 됩니다. 보통 SCR의 턴 오프 시간은 수us ~ 수십us 정도 입니다.

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사이리스터란 p-n-p-n접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로서, 역저지 사이리스터, 역도통 사이리스터, 트라이액이 있습니다. 그러나 일반적으로는 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor)이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며, 실리콘 제어 정류소자를 말합니다.

사이리스터는 3개이상의 P-N접합을 1개의 반도체 기판 내에 형성함으로서 전류가 흐르지 않는 오프 상태와 전류가 흐 를 수 있는 온 상태의 2개의 안정된 상태가 있고, 또한 오프 상태에서 온 상태로 또는 온 상태에서 오프 상태로 이행이 가능한 반도체 소자입니다. 사이리스터는 일반적으로 전력용 트랜지스터에 비해 고내압에서 우수한 특성을 나타냅니다.

사이리스터 중에는 다음과 같은 SCR이나 다이액, 트라이액이라고 부르고 있는 것이 있습니다. 일반적으로 사용되는 SCR이나 다이액, 트라이액이라는 명칭은 실제는 상품명으로 정식적인 호칭은 아닙니다.

SCR - 3극 단방향 사이리스터
다이액 - 2극 쌍방향 사이리스터
트라이액 - 3극 쌍방향 사이리스터

사이리스터의 장점

가. 고전압 대전류의 제어가 용이하다.

나. 제어이득이 높고, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다.

다. 수명은 반영구적으로 신뢰성이 높다. 또 써지 전압 전류에도 강하다.

라. 소형, 경량으로 기기나 장치에의 설치가 용이하다.

이러한 장점을 갖고 있는 사이리스터는 가전제품, OA기기, 산업용 기기 등의 전력제어 분야에서 널리 사용되고 있으며, 수십A이하의 중,소 전력 사이리스터만도 여러가지가 있습니다.

사이리스터의 종류 및 구조

SCR 사이리스터

아래 그림에서 A, K, G는 각각 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)를 나타내고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.

GTO 사이리스터(Gate-Turn-Off Thyristor)(3단자 턴오프 사이리스터)

GTO사이리스터의 각 단자의 명칭은 SCR 사이리스터와 같고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.

게이트에 양(+)전류를 흘리면 ON되고, (-)전류를 흘리면 OFF되는 SCR이며, SCR 사이리스터와 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프가 가능하며, 일단 오프되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가집니다.

SCR 사이리스터의 회로도 기호

다이액(Diac)

다이액은 위의 그림에 나타난 바와 같이 PNPN반도체 층이 양방향으로 결합되어, 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 2단자 소자입니다. 캐소드가 없는 대신에 애노드1과 애노드2가 있습니다. 다이액은 두 단자의 극성에 상관없이 다이액 양단의 전압이 일정 전압(브레이크오버 전압이라고 합니다)에 도달하면 도통되고, 전류가 유지전류 이하로 떨어지면 단락됩니다. 도통된 다이액의 전류방향은 인가된 전압에 극성에 따라 결정됩니다.

트라이액(Triac)

트라이액은 3단자 교류 스위치의 약어로 이를 개발한 GE社의 상품명에서 기인하여 지금까지 사용되고 있지만 쌍방향 3단자 제어 정류소자로도 불립니다.

SCR의 응용분야

SCR은 계전기 제어, 시간지연 회로, 모터 제어, 전압 조정, 축전지 충전기, 위상제어 등을 포함한 많은 응용분아에 사용되고 있습니다. 최근의 SCR은 1800V, 2000A와같이 높은 정격 전압과 정격 전류로 10MW 정도의 높은 전력을 제어하도록 설계되고 있습니다. 또한 응용주파수 범위는 약 50Khz로 확장되어 유도가열이나 초음파 세척기와 같은 고주파용으로도 많이 응용되고 있습니다.

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